Usuario:Jachm11/Taller

La computación cuántica óptica es una propuesta experimental y teórica que pretende servir como base para el desarrollo de la computación cuántica. Consiste en el modelaje de distintos sistemas que utilizan las propiedades cuánticas de la luz. Su fundamento principal yace en el comportamiento cuántico del fotón, cuya existencia se puede observar en los distintos campos electromagnéticos que existen, lo que nos permite utilizarlo para controlar la coherencia cuántica de diversos átomos.

Modelos de computadores cuánticos ópticos

Protocolo KLM

El protocolo KLM o modelo KLM fue desarrollado en el 2000 por Emanuel Knill, Raymond Laflamme y Gerard J. Milburn. Esta propuesta de implementación para computación cuántica de óptica lineal (o LOQC por sus siglas en inglés) abre la posibilidad para la creación de computadores cuánticos universales utilizando exclusivamente herramientas ópticas lineales​. Estas herramientas ópticas lineales, características del LOQC, son utilizadas por el modelo con el fin de construir un esquema basado en:

• Bits ancilla, lo cual refiere a aquellos bits o qubits utilizados en sistemas computacionales no deterministas, de los cuales se conoce el estado y así permitir controlar el estado de otros bits o qubits cuyo estado no puede ser deterministamente prescrito​ .
• Teleportaciónes cuánticas, es decir aquellas técnicas de transferencia de información cuántica a largas distancias, donde el mensajero podría no saber la ubicación del receptor y no conocer el estado cuántico transferido.​  
• Corrección de errores, pues como muchos otros modelos de computación cuántica el protocolo implementa sistemas para lidiar con la pérdida de estados cuánticos y otros errores asociados.

Fundamentalmente, el protocolo hace posible la interacción efectiva entre fotones mediante la ejecución de mediciones proyectivas, utilizando fotodetectores. Estas mediciones pueden categorizarse como operaciones no determinísticas sobre los fotones, convirtiendo efectivamente al protocolo en un modelo para computación cuántica no determinista. El modelo, basado en la compuerta condicional de cambio de signo no determinista y demostraciones de altos niveles de éxito en compuertas cuánticas utilizando estados entrelazados, permite una escalabilidad práctica, pues con una codificación cuántica apropiada es posible la implementación de una computadora cuántica de óptica lineal tolerante a fallas por pérdida de fotones, ineficiencias del detector y decoherencia de fase.

Aspectos Fundamentales

Algunos aspectos fundamentales que caracterizan al protocolo KLM y permiten que logre los alcances antes mencionados son:

• Implementación de compuertas cuánticas elementales: el protocolo hace uso de elementos de la óptica lineal para la implementación de compuertas cuánticas, ha demostrado que, utilizando espejos, divisores de haces y cambiadores de fase, es capaz de realizar un set completo de operaciones en cualquier único qubit.
• Implementación no determinista de la compuerta condicional de cambio de signo (Compuerta-NS): su función es realizar un cambio de fase no lineal sobre un modo, condicionado en dos modos ancila externos.
• Teleportación cuántica y operaciones casi deterministas: utilizando teletransportación cuántica, el modelo prepara las compuertas probabilísticas del circuito cuántico antes de ser activado, con el fin de ejercer una mayor chance de éxito sobre la salida de la compuerta. Preparando las puertas probabilísticas con $n$ fotones de estados entrelazados se puede obtener una tasa de éxito de $n^{2}/(n+1)^{2}$, casi determinista para $n$ grandes. Además, esta crece polinomialmente en vez de exponencialmente, lo cual hace al protocolo muy eficiente con sus recursos.
• Corrección y detección de errores mediante estados entrelazados y códigos cuánticos: como se mencionó antes para gran cantidad de estados entrelazados la curva de éxito se hace asintótica a $1$, pero lo hace muy lentamente respecto a $n$. Sin embargo, en el protocolo KLM se pueden diagnosticar errores de manera codificada, pues un error se puede encontrar si son detectados cero o $n+1$ fotones. Codificar para evitar estas mediciones accidentales permite incrementar la tasa de éxito del sistema.

Restos y mejoras al modelo

A pesar de proponer el fundamento teórico para computadoras cuánticas con alta escalabilidad, el modelo no necesariamente provee una arquitectura práctica. El costo practico de implementación es prohibitivamente alto, más que todo por la inexistencia de compuertas cuánticas más eficientes, debido son necesarias un gran número de operaciones para conseguir tasas de éxito que se acerquen a $1$. Sin embargo, a raíz de esto han surgido variantes a la propuesta del protocolo, algunas de estas basadas en técnicas de estado de clúster (cluster-state) ​, como lo son:

• El protocolo de Yoran-Reznik
• El protocolo de Nielsen
• El protocolo de Browne-Rudolph

Electrodinámica cuántica en circuitos

El modelo de electrodinámica cuántica en cavidades permite estudiar diversos sistemas como: semiconductores, estructuras nanomecánicas y circuitos eléctricos superconductores. Estos últimos manifiestan sus propiedades cuánticas en ciertos parámetros macroscópicos, como el voltaje y la corriente. La electrodinámica cuántica en circuitos busca desarrollar elementos eléctricos que exploten los aspectos cuánticos que se pueden aprovechar en circuitos con superconductores, para ello se los componentes que operan en dichos circuitos deben presentar un comportamiento no lineal, pues se debe simular un átomo coherente cuánticamente.  

Las diferencias con respecto al sistema de electrodinámica cuántica en cavidades son:  

• Se utilizan microondas en vez de luz para para producir la coherencia cuántica. Ambos son campos electromagnéticos, por lo tanto, están constituidos de fotones.  
• Para emular una cavidad se utiliza un resonador coplanar unidimensional, el cual orienta las microondas.

Otro elemento importante es la unión de Josepshon que utiliza el efecto de tunelaje para pares de Cooper (electrones que presentan un entrelazamiento cuántico). Esto es para poder aprovechar los fenómenos cuánticos del voltaje y la corriente que se presenta en superconductores.